В коридоре в Принстонской лаборатории физики плазмы (PPPL) Министерства энергетики США (DOE) ученые изучают работу машины в комнате, заполненной проводами и металлическими компонентами. Исследователи пытаются объяснить поведение огромных облаков пыли и других материалов, которые окружают звезды и черные дыры и разрушаются, образуя планеты и другие небесные тела.
Новые результаты, опубликованные в Physical Review E, способствуют пониманию машины, известной как эксперимент по магнитовращательной неустойчивости (MRI), которая названа и приближает нас к обнаружению источника нестабильности, который вызывает разрушение материала в такие тела. Это явление давно предполагалось, но никогда не было доказано, что оно существует.
Результаты эксперимента PPPL сосредоточены на влиянии медных торцевых крышек, которые образуют искусственные границы вместо естественного притяжения на верхней и нижней части основного сосуда лабораторной машины. В устройстве находятся два гнездовых цилиндра, пространство между которыми заполнено жидкометаллическим сплавом, известным как Галинстан.
«Мы пытаемся воссоздать условия, обнаруженные в космосе в лаборатории, но нам приходится иметь дело с этими конечными пробками», — говорит физик PPPL Кайл Каспари, ведущий автор статьи. «Чтобы разобраться с ними и обнаружить МРТ в нашем аппарате, мы должны полностью понять влияние границ конечной крышки. Если мы сможем лучше понять этот слой, мы могли бы управлять машиной так, чтобы мы могли различить колебания, которые мы видим из МРТ «.
Вложенные цилиндры вращаются с разными скоростями, создавая области Галинстана, которые вращаются в цилиндрах с разными скоростями. Это вращение имитирует дифференциальные скорости вращения пыли и другого материала, циркулирующего в так называемых аккреционных дисках вокруг космических объектов, таких как звезды и черные дыры.
Когда жидкость во вложенных цилиндрах вращается, в области между двумя цилиндрами возникает нестабильность, так же как возникают штормы между различными массами воздуха. Ученые PPPL тщательно изучают эти колебания, чтобы найти доказательства магнитовращательной неустойчивости, которая, как полагают, вызывает разрушение вещества в аккреционных дисках быстрее, чем предсказывают современные модели.
«Астрофизики выдвинули гипотезу, что, если бы существовала турбулентность в потоке материала в аккреционных дисках , это могло бы объяснить несоответствие между теорией и наблюдением», — сказал Эрик Гилсон, физик PPPL, ответственный за эксперимент MRI. «Турбулентность приведет к большей вязкости текучего материала, а это будет означать более высокую скорость аккреции».
Хотя торцевые крышки необходимы для проведения эксперимента по МРТ для предотвращения выплескивания жидкого сплава, в космосе нет торцевых крышек. Поэтому точное понимание того, как конечные точки влияют на поведение Галинстана, позволило бы ученым перевести данные, собранные в ходе эксперимента МРТ, в форму, которая соответствовала бы тому, что происходит в природе.
Данные, собранные Caspary, показывают, что медные концевые заглушки, которые проводят электричество, по-видимому, повышают вероятность возникновения определенных нестабильностей. Кроме того, проводящие концевые заглушки приводят к тому, что неустойчивости переходят с одной на многие частоты, как симфонии с несколькими звуковыми линиями. Несколько частот свидетельствуют о том, что концевые крышки влияют на магнитные поля в жидком металле. Это взаимодействие между торцевыми крышками и магнитными полями сохраняет разделение быстро и медленно движущихся областей Галинстана.
Каспари и Гилсон теперь чувствуют, что они ближе к обнаружению магнитовращательной неустойчивости в космосе. «Мы получили очень полезную информацию о том, как границы влияют на стабильность потока, а также о том, как мы можем изменить наши скорости вращения и как мы можем вращать машину, чтобы избежать нестабильности, оставаясь в сфере, в которой мы можем найдите МРТ, «сказал Каспари.
